跑步机用碳刷的制备与性能研究

佟立国

（哈尔滨电碳厂，哈尔滨 150025）

0 前言

碳刷是电动机固定部分和旋转部分之间传递能量的装置，主要作用是将外部电流通过碳刷而加到转动的转子上，跑步机用碳刷是跑步机电动机关键件之一，碳刷与整流子之间的摩擦是跑步机产生噪音的主要根源，因此，碳刷的性能变化，对跑步机的降噪有显著影响。

1 实验

1.1 原材料的准备

石墨粉采用瑞士特密高（TIMCAL）公司产的T150型人造石墨粉为基料，同时加入天然石墨粉与二硫化钼粉，粒度为3-5μm。

1.2 粘结剂的制备

粘结剂采用E20型环氧树脂，采用丙酮溶剂稀释，同时加入酚醛树脂做改性及固化剂，E20直接采用液体树脂，酚醛树脂采用山东圣泉生产的普通型酚醛树脂，采用酒精溶解后按2:8比例加入环氧树脂中，调配均匀。

1.3 造孔剂的选择

采用碳酸氢氨作为造孔剂，在混合粉末加入粘结剂后，加热破碎成有一定塑性的压粉，这时按比例加入碳酸氢铵造孔剂。

1.4 工艺过程

图1 工艺流程图Fig.1 Process flow chart

1.5 性能测试与表征：

使用电阻测试仪测试电阻，得到碳刷电阻率，用天平称重，螺旋千分尺测量尺寸，计算出体积密度，用万能拉力试验机测碳刷抗折强度，利用金相显微镜观察碳刷表面形貌。

2 结果与讨论

2.1 原材料的选择分析

2.1.1 固体材料的选择分析

特密高公司生产的TIMREX*T系列都是合成石墨，主要成分为人造石墨，具有独特的孔状结构及优异的摩擦性能，其独特的孔状结构可以提高碳刷的电阻率，使碳刷抗火花能力大大提高，同时多孔结构使碳刷吸声能力有所提高，在运行过程中有效的减小运行噪音。同时通过石墨粉的加入，提高碳刷整体的润滑性能，在整流子表面形成良好的氧化膜，在提高使用寿命的同时也能降低噪音，二硫化钼作为一种固体润滑剂，与石墨粉一起降低碳刷的摩擦系数，降低材料的磨损性能。

2.1.2 粘结剂的选择

在制备样品时，固体材料与粘结剂（树脂溶液）的质量比固定，通过调节其中稀释剂的多少来控制样品中的树脂含量，稀释剂含量越高碳刷中树脂含量越低，用不同含量树脂制备的碳刷的性能如下：

表2 碳刷性能Table 2 carbon brush performance

当树脂含量提高到60%，电阻率达到最大值2983μΩm，抗火花能力较好，体积密度达到最低1.33g/cm3，吸震性较好，开口气孔率达到39%，降噪性能较好。

2.1.3 吸声降噪性能

碳刷与整流子之间的摩擦是跑步机产生噪音的主要根源，声波在传播过程中遇到各种固体材料时，一部分声能被反射，一部分声能进入到材料内部被吸收，还有很少一部分声能透射到另一侧。通常将入射声能Ei和反射声能Er的差值与入射声Ei之比值称为吸声系数，记为α，即

吸声系数α的取值在0～1之间。当α=0时，表示声能全部反射，材料不吸声；α=1时表示材料吸收全部声能，没有反射。吸声系数α的值越大，表明材料 （或结构）的吸声性能越好。一般地，α在0.2以上的材料被称为吸声材料，α在0.5以上的材料就是理想的吸声材料。吸声系数α的值与入射声波的频率有关，同一材料对不同频率的声波，其吸声系数有不同的值[1]。

由于入射角度对吸声系数有较大的影响，因此，规定了三种不同的吸声系数。即：垂直入射吸声系数 （驻波管法吸声系数），用α0表示，它多用于材料性质的鉴定与研究；斜入射吸声系数；无规入射吸声系数αT 。

碳刷的吸声性能不仅与材料本身的孔隙率、密度、厚度等结构参数有关，而且与入射声波的频率、环境的温度、湿度等因素有关。实验表明，吸声材料 (主要指多孔材料)对中、高频声吸收较好，而对低频声吸收性能较差，若采用共振吸声结构则可以改善低频吸声性能[2]。

多孔材料一直是主要的吸声材料。在这些材料中，气孔的状态有两种：一种是大部分气孔成为单个闭合的孤立气孔，没有通气性能;另一种气孔相互连接成为连续气泡。噪声控制中所用的吸声材料，是指有连续气孔的材料。

多孔碳刷的结构特征是在材料中具有许许多多贯通的微小间隙，因而具有一定的通气性。吸声材料的固体部分，在空间组成骨架 (筋络)，保持材料的形状。在筋络间有大量的空隙，筋络的作用就是把较大的空隙分隔成许多微小的通路。当声波入射到多孔材料表面时，可以进入细孔中去，引起孔隙内的空气和材料本身振动，空气的摩擦和黏滞作用使振动能 (声能)不断转化为热能，从而使声能衰减，消耗一部分声能，即使有一部分声能透过材料到达壁面，也会在反射时再次经过吸声材料，声能又一次被吸收[3]。

RP-4碳刷开口气孔率达到39%，具有良好的吸声性能，对噪音抑制作用较好，减少电机在运行中碳刷与整流子之间摩擦产生的高频噪音。

2.1.4 试验性能

试验方法：

在本厂电机试验室内进行。使用试验室内直流稳压电源供电。将两只新加工的编号RP-4碳刷装于电机中，在电机运行前，首先用分贝测量仪测量试验室内背景噪音，记录其dB数值，作为试验背景噪音数值。然后开机运行进行试验。并用分贝仪分别测量垂直于电机两端（其中一端为电机整流子端）、10cm、30cm、50cm、80cm、100cm处的噪音。试验室内背景噪音测量点距运行电机3米远处。

测量结果记录：

A、电机运行参数记录

空载，电压：179.5V;电流：0.37A；转速：2774RPM。

注：开机5分钟、开机2小时的运行参数无变化。

B、 不同地点，不同距离处的噪音测定值如表3

表3 噪音测试结果Table 3 Noise testing resaults

测 量时 间测量距离cm整流子端dB电机另一端dB试验室背景噪音dB观察及耳响情况开机2小时10 76 76同上电刷无火花，运行时声音柔和，无杂音。30 70 70 50 67 66 80 65 62 100 63 62

从上述试验实测结果可以看出：

从开机到2小时的试验内，电机运行平稳，各项运行参数基本无变化，从开机到2小时的试验内，各处的噪音水平基本无变化，电刷无火花运行，听声音仅是单一的电刷与整流子的滑动摩擦声，且声音柔和，无杂音。

3 结论

1)随着树脂含量的增加，碳刷的体积密度降低，电阻率提高，气孔率提高。

2)碳刷开口气孔率高，形成多孔材料，吸声降噪性能良好，能有效地降低碳刷与整流子之间滑动摩擦噪音。